Комплементарное применение рассеяния нейтронного и синхротронного излучений для исследования магнитных металлических наноструктур Кравцов Евгений Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Структура межслойных границ и магнитное упорядочение в сверхрешетках Fe/Cr 16

1.1 Магнетизм сверхрешеток Fe/Cr 16

1.2 Экспериментальные детали 19

1.3 Влияние условий роста на структуру межслойных границ в сверхрешетках Fe/Cr 20

1.4 Незеркальное рассеяние нейтронов от сверхрешеток Fe/Cr с неколлинеарным магнитным упорядочением 24

1.5 Прямое определенние угла неколлинеарности в сверхрешетках Fe/Cr из анализа незеркального рассеяния нейтронов 30

1.6 Влияние структуры интерфейсов на магнитное упорядочение в сверхрешетах Fe/Cr 34

1.7 Заключение и выводы по главе 1 36

Глава 2 Неоднородная магнитная структура в сверхрешетках Fe/Gd . 37

2.1 Магнетизм ферримагнитных сверхрешеток Fe/Gd 38

2.2 Рефлектометрия поляризованных нейтронов и резонансная рентгеновская магнитная рефлектометрия 41

2.3 Экспериментальные детали 44

2.4 Структурная и магнитная характеризация 46

2.5 Анализ данных РРМР и РПН 56

2.5.1 Единая параметризованная модель 56

2.5.2 Схема расчета спектров РРМР 58

2.5.3 Определение длин рассеяния для Gd 65

2.5.4 Неоднородные магнитные состояния при низких температурах 70

2.6 Обсуждение результатов 77

2.7 Заключение и выводы по главе 2 79

Глава 3 Эффекты близости в слоистых наноструктурах Cr/V 81

3.1 Волны спиновой плотности в объемных материалах и наноструктурах на основе Cr 81

3.2 Комплементарное применение рентгеновской и нейтронной дифрактометрии для прямого определения параметров волн спиновой плотности 86

3.3 Экспериментальные детали 92

3.4 Ориентационные переходы в наноструктурах Cr/V 94

3.4.1 Экспериментальные результаты 94

3.4.2 Обсуждение результатов 104

3.5 Формирование волн спиновой плотности в сверхрешетках Cr/V 108

3.5.1 Экспериментальные результаты 108

3.5.2 Анализ результатов 123

3.6 Управление спин-волновым состоянием сверхрешеток Cr/V путем насыщения их водородом 130

3.7 Заключение и выводы по главе 3 139

Глава 4 Определение локальной атомной структуры тонких магнитных пленок марганцевых ферритов 142

4.1 Атомная структура ферритов Fe2MnO4 142

4.2 Техника DAFS 145

4.2.1 Экспериментальные аспекты 145

4.2.2 Обработка данных 148

4.3 Локальная атомная структура тонких пленок Fe2MnO4 . 153

4.3.1 Экспериментальные детали 153

4.3.2 Анализ спектров 160

4.3.3 Обсуждение результатов 174

4.4 Заключение и выводы по главе 4 175

Заключение 177

Список сокращений и условных обозначений 180

Литература 181

• Незеркальное рассеяние нейтронов от сверхрешеток Fe/Cr с неколлинеарным магнитным упорядочением
• Неоднородные магнитные состояния при низких температурах
• Экспериментальные результаты
• Анализ спектров

Введение к работе

Актуальность темы настоящей работы определяется настоятельной

необходимостью разработки неразрушающих методов прямого определения атомной и магнитной микроструктуры магнитных металлических наноструктур, имеющих большое научное и прикладное значение.

Цель работы состояла в исследовании атомной и магнитной микроструктуры магнитных металлических наноструктур, основанном на комплементарном (взаимодополняющем) использовании рассеяния нейтронов и синхротронного излучения. Для достижения данной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследование влияния структурных свойств межслойных границ на
магнитное упорядочение в сверхрешетках Fe/Cr с помощью

комплементарного применения рефлектометрии поляризованных нейтронов, незеркального рассеяния нейтронов и рентгеновской рефлектометрии.

1. Определение внутрислойной магнитной структуры сверхрешеток Fe/Gd с помощью комплементарного применения резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии и рефлектометрии поляризованных нейтронов.

2. Исследование влияния эффектов близости и размерных эффектов на волны спиновой плотности в слоистых наноструктурах Cr/V с помощью комплементарного применения рентгеновской и нейтронной дифрактометрии.

3. Определение локальной атомной структуры вблизи кристаллографически неэквивалентных позиций пленок ферритов Fe₂MnO₄ С использованием техники DAFS спектроскопии.

Методология и методы исследования.

Для исследования структурных и магнитных свойств магнитных металлических сверхрешеток был задействован широкий спектр методик, основанных на использовании рассеяния нейтронов и синхротронного излучения.

Структурные исследования образцов поводились методами рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии высокого разрешения.

Определение межслойного магнитного упорядочения в магнитных металлических сверхрешетках выполнено с помощью рефлектометрии и незеркального рассеяния поляризованных нейтронов.

Определение векторных магнитных профилей с разрешением по элементам и по глубине в магнитных металлических сверхрешетках было проведено с помощью комплементарного применения поляризационной нейтронной и резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии.

Определение магнитной структуры внутри антиферромагнитных слоев Cr в наноструктурах Cr/V было произведено с помощью комплементарного

применения рентгеновской дифрактометрии высокого разрешения и нейтронной дифрактометрии.

Определение локальной атомной структуры атомов, расположенных в кристаллографически неэквивалентных узлах кристаллической решетки в тонких пленках искусственных ферритов было выполнено с использованием DAFS спектроскопии.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Содержание диссертации соответствует формуле Паспорта специальности 01.04.11 – физика магнитных явлений в пунктах 2 и 3:

пункту 2 «Экспериментальные исследования магнитных свойств и состояний веществ различными методами, установление взаимосвязи этих свойств и состояний с химическим составом и структурным состоянием, выявление закономерностей их изменения под влиянием различных внешних воздействий»»;

пункту 3 «Исследование явлений, связанных с взаимодействием различного рода электромагнитных излучений и потоков элементарных частиц с магнитными моментами вещества или его структурных составляющих: атомов, атомных ядер, электронов (парамагнитный, ферромагнитный, ядерный магнитный, ядерный гамма резонансы и др)».

Научная новизна:

1. Установлена корреляция между степенью несовершенства межслойных границ Fe-Cr и углом между магнитными моментами соседних слоев Fe в сверхрешетках Fe/Cr c неколлинеарным магнитным упорядочением.

2. Экспериментально показано, что в сверхрешетках Fe/Cr формируется латеральная доменная структура, рассеяние поляризованных нейтронов на которой приводит к незеркальному рассеянию нейтронов с переворотом спина. Предложен метод определения угла неколлинеарности в магнитных

сверхрешетках из анализа незеркального рассеяния поляризованных нейтронов.

3. Впервые определены элементно-чувствительные векторные профили намагниченности в магнитных сверхрешетках с помощью комплементарного применения рефлектометрии поляризованных нейтронов и резонансной рентгеновской магнитной рефлектометрии.

4. Впервые показано, что эффекты близости слоев ванадия приводят к изменению поляризации и направления распространения волн спиновой плотности в наноструктурах Cr/V.

5. Установлено, что в слоях Cr в сверхрешетках Cr/V вблизи межслойных границ формируются парамагнитные области толщиной до 5 нм.

6. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность управляемого обратимого изменения магнитного состояния сверхрешеток Cr/V путем насыщения их водородом.

7. Впервые экспериментально обнаружено значительное уменьшение координационного числа первой координационной сферы для атомов Mn, расположенных в узлах типа В в пленках искусственных марганцевых ферритов.

Научная и практическая значимость работы.

Разработанные в диссертационной работе методы исследования магнитных наноструктур, основанные на комплементарном применении нейтронного и синхротронного рассеяния, будут востребованы в ведущих нейтронных и синхротронных центрах для проведения исследований, усовершенствования и создания экспериментальных установок.

Научные положения и результаты, сформулированные и обоснованные в работе, позволяют понять природу формирования магнитных свойств металлических магнитных наноструктур, установить фазовые диаграммы

магнитных сверхрешеток и будут способствовать расширению элементной базы спинтроники.

Результаты исследований по управлению магнитных состоянием металлических наноструктур путем насыщения их водородом могут быть использованы для конструирования датчиков водорода. Результаты исследований искусственных ферритов могут быть использованы при разработке новых материалов для высокочастотных устройств.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное доказательство формирования латеральной доменной структуры в сверхрешетках Fe/Cr, полученное с помощью незеркального рассеяния тепловых нейтронов, падающих под малыми углами скольжения к поверхности образца.

2. Установление корреляции между среднеквадратичной шероховатостью межслойных границ и углом между магнитными моментами слоев Fe в сверхрешетках Fe/Cr c неколлинеарным магнитным упорядочением.

3. Экспериментальное доказательство формирования при низких температурах неоднородной магнитной структуры внутри слоев Gd в сверхрешетках Fe/Gd с малым числом повторений.

4. Экспериментальное доказательство влияния эффектов близости ванадия на поляризацию и направление распространения несоизмеримых волн спиновой плотности в наноструктурах Cr/V.

5. Экспериментальное доказательство формирования парамагнитной области
в слоях Cr вблизи интерфейсов Cr-V с характерной толщиной до 5 нм.

6. Экспериментальное доказательство возможности обратимого контролируемого изменения магнитного состояния сверхрешеток Cr/V путем насыщения их водородом.

7. Установлено, что по мере увеличения толщины слоев Cr в сверхрешетках Cr/V формирование магнитного состояния идет от парамагнитного

состояния к соизмеримой волне спиновой плотности и далее к несоизмеримой волне спиновой плотности. 8. Доказательство уменьшения координационного числа для первой координационной сферы атомов B(Mn) в пленках искусственных марганцевых ферритов.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и конкретных задач
исследования, проведении экспериментальных исследований магнитных

наноструктур с использованием рентгеновского излучения, пучков нейтронов и
синхротронного излучения. Автором были сформулированы теоретические
модели и разработаны компьютерные программы для моделирования, обработки и
фитирования спектров рентгеновской рефлектометрии, рефлектометрии

поляризованных нейтронов и резонансной рентгеновской магнитной

рефлектометрии, рентгеновской и нейтронной дифрактометрии, спектров DAFS. Автором лично был проведен анализ полученных экспериментальных результатов и проведено фитирование полученных нейтронных и рентгеновских данных с использованием разработанных им компьютерных программ, сопоставление полученных результатов с данными магнитных и магнитотранспортных измерений. Автором проведено обобщение полученных результатов и сформулированы выводы.

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в кооперации с сотрудниками лаборатории электрических явлений ИФМ Уро РАН, ведущих научных центров России (ОИЯИ), Франции (Институт Лауэ-Ланжевена, Европейский центр синхротронного излучения), Германии (Научный центр Юлих, Рур-университет г. Бохум, Немецкий центр синхротронного излучения в г. Гамбург), Швеции (университет г. Уппсала), США (Аргоннская национальная лаборатория, Национальный институт стандартов и технологий).

Исследования по теме диссертации выполнены в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Спин» № 01201463330) и были частично

поддержана грантами Минобрнауки Российской Федерации № 8682 и № 14.616.21.0067, а также грантами РФФИ (№ 14-02-00013-а, 14-22-01063-офи-м, 95-02-04813-а, 98-02-17517-а, 01-02-17119-а, 01-02-17202-а, 04-02-16464-а, 10-02-96033-р-урал, 12-02-12054-офи-м).

Актуальность и значимость проведенных исследований подчеркивается большим числом грантов и проектов, в рамках которых выполнялись работы по теме диссертации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аттестованных образцов и апробированных методик исследования, проведением различных экспериментов на одних и тех же образцах при одних и тех же экспериментальных условиях, согласием и непротиворечивостью полученных результатов и результатов, полученных другими авторами и опубликованных в литературе.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на международных конференциях: международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» НМММ-2000, 2002 и 2009, международный симпозиум «ILL Millennium» -2001, международный Евроазиатский симпозиум «Тенденции в магнетизме» EASTMag-2001 и 2010, на международных симпозиумах по металлическим мультислоям MML в 2001 и 2004, на годовых сессиях немецкого (2003) и американского (2006) физических обществ, на 13 международной конференции EXAFS-2006, на американской конференции по нейтронному рассеянию ACNS-2008.

Публикации.

Результаты работы изложены в 22 статьях в журналах, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых журналов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура диссертации.

Незеркальное рассеяние нейтронов от сверхрешеток Fe/Cr с неколлинеарным магнитным упорядочением

Магнитная структура сверхрешеток Fe/Cr была определена с помощью незеркального рассеяния поляризованных нейтронов. На рисунке 1.3 в координатах углов падения (ост) и отражения (ocf) нейтронного пучка приведены карты незеркального рассеяния поляризованных нейтронов от сверхрешетки 57Fe(70)/Cr(9), измеренные с использованием позиционно-чувствительного детектора в состоянии насыщения (рис. 1.3а, Н = 5.5 кЭ) и вдали от этого состояния (рис 1.3б, Н=440 Э). Магнитное поле было приложено в плоскости образца и задавало направление поляризации падающих нейтронов. Измерения проведены на длине волны нейтронов 4.41 .

В состоянии насыщения (рисунок 1.3а) полученные результаты согласуются с моделью сверхрешетки с ферромагнитно упорядоченными моментами слоев Fe. Видна только линия, соответствующая зеркально отраженным от поверхности нейтронам (in = f). Интенсивные пики при in = f=0.029 рад. и 0.058 рад. суть структурные брегговские пики первого и второго порядка, отражающие наличие периодической слоистой структуры вдоль нормали к поверхности образца. Незеркальное рассеяние нейтронов практически отсутствует, что свидетельствует о высоком структурном качестве сверхрешетки.

При уменьшении величины приложенного магнитного поля до 440 Э карта нейтронного рассеяния (рисунок 1.3б) существенно изменяется. По сравнению с картой рассеяния в состоянии насыщения, наблюдается дополнительное незеркальное рассеяние нейтронов вблизи положений полуцелых брегговских пиков при 0.0145 рад. и 0.0435 рад. Это дополнительное незеркальное рассеяние распределено вдоль линий, перпендикуляных рефлектометрической кривой, образуя сверхструктурные брегговские листы. Характерно, что никакого дополнительного незеркального рассеяния не наблюдается вблизи структурных брегговских пиков целых порядков.

Природа наблюдаемых эффектов в нейтронном незеркальном рассеянии выяснилась после измерений с поляризационным анализом отраженного пучка. На пути отраженного пучка между образцом и детектором был помещен анализатор поляризации рассеянных нейтронов. Анализатор функционировал одновременно в двух модах: нейтроны одного спинового состояния проходили через анализатор, а другого -отражались от него. На рисунке 1.4 показана карта незеркального рассеяния для падающего (-) спинового состояния нейтронов. Полоса пропускания анализатора, показанная на рисунке штриховой линией, захватывает только небольшой угловой диапазон расеянных от образца нейтронов. Зеркальная линия для прошедших через анализатор нейтронов соответствует коэффициенту отражения нейтронов без переворота спина R--. На зеркальной линии для R не наблюдается никаких пиков на положениях сверхструктурных брегговских рефлексов, в полосе пропускания анализатора не видно также незеркально отраженного от образца сигнала. За пределами полосы пропускания анализатора, где регистрируются нейтроны, рассеянные с переворотом спина (R-+ состояние), заметен сигнал от сверструтурного брегговского листа.

На рисунке 1.5 показана карта незеркального рассеяния для падающего (+) спинового состояния нейтронов. На этот раз полоса пропускания анализатора, показанная на рисунке штриховой линией, соответствует коэффициенту отражения нейтронов с переворотом спина R+-. На зеркальной линии для R+- не наблюдается никаких пиков на положениях структурных брегговских пиков целых порядков, в полосе пропускания анализатора видны брегговские листы на положениях, соотвествтвующих сверхструктурным бреговским рефлексам. Таким образом, все незеркальное рассеяние, наблюдающееся на приведенных картах, происходит с переворотом спина, т.е., имеет чисто магнитное происхождение.

Из анализа приведенных графиков можно сделать вывод, что в малых магнитных полях вдали от состояния насыщения в образце формируется магнитная суперструктура с периодом, вдвое превышающим период сверхрешетки. Возникновение такой суперструктуры связано с формированием в образце антиферромагнитного или неколлинеарного упорядочения магнитных моментов соседних слоев Fe, при этом возникшая магнитная периодичность строго выдерживается по всей сверхрешетке.

Тот факт, что, вместо рефлексов на положения сверхструктурных брегговских пиков, наблюдаются брегговские листы свидетельтствует о разбиении системы на латеральные магнитные домены, отличающиеся знаком компоненты намагниченности, перпендикулярной приложенному внешнему магнитному полю. Магнитная структура в пределах каждого латерального домена вдоль нормали к поверхности образца строго коррелирована, магнитные моменты соседних слоев Fe отличаются знаком проекции на направление, перпендикулярное направлению магнитного поля.

Таким образом, модель однородно намагниченных слоев, магнитные моменты которых ориентированы под некоторыми углами друг у другу, не применима для анализа рассеяния нейтронов в сверхрешетках Fe/Cr. Анализ только зеркально отраженного пучка (рефлектометрия) не позволяет определить магнитное упорядочение в таких сверхрешетках, т.к. при этом не учитываются незеркально отраженные нейтроны, рассеянные с переворотом спина.

Определение магнитной структуры в сверхрешетках с латеральной доменной структурой, таких как Fe/Cr, возможно только при анализе как зеркально, так и незеркально отраженных нейтронов, для получения информации о микроскопической магнитной структуре сверхрешеток нельзя ограничиваться экспериментальными данными только зеркального рассеяния нейтронов и необходимо привлекать данные по незеркальному рассеянию нейтронов.

Неоднородные магнитные состояния при низких температурах

Магнитные состояния при низкой температуре (T = 20 K) были определены путем одновременного фитирования спектров РРМР и РПН. Предварительные эксперименты по РПН. выполненные на рефлектометре POSY1 на реакторе Intense Pulsed Neutron Source а Агоннской национальной лаборатории с использованием позиционно-чувствительного детектора выявили очень сильное рассеяние нейтронов с переворотом спина (R+-) в зеркальном канале на положении первого брегговского пика и незначительное незеркальное рассеяние. При повторении экспериментов на рефлектометре NG1 (NIST), однако, для R+- был детектирован слабый сигнал в зеркальном канале и сильное незеркальное рассеяние. Для рассеяния без переворота спина незеркальное рассеяние было пренебрежимо мало во всем диапазоне переданных импульсов.

Незеркальное рассеяние с переворотом спина предполагает, что после первого измерения система разбилась на набор латеральных доменов. Поскольку кривые рассеяния без переворота спина хорошо воспроизводятся от измерения к измерению, то в этих доменах проекции магнитных моментов на направление магнитного поля совпадают и меняется лишь проекция, перпендикулярная направлению магнитного поля. Размер этих доменов не воспроизводится от измерения к измерению. Поскольку РРМР не чувствительна к перпендикулярной компоненте намагниченности, мы не анализруем спин-флип канал в РПН, а ограничиваемся самосогласованным моделированием данных РРМР и РПН без переворота спина.

Эксперименты по РРМР, выполненные ранее на сверхрешетках Fe/Gd с большим числом повторений, показали [56], что при низких температурах величина магнитных моментов Gd внутри слоев не меняется и основные эффекты обусловлены изменением направления магнитных моментов Gd. При моделировании низкотемпературных профилей намагниченности мы примем, что модули магнитных моментов постоянны внутри слоев Gd и Fe, так что поведение системы может быть описано с помощью зависящего от глубины угла (z) между направлениями магнитых моментов и приложенного внешнего магнитного поля.

На рисунках 2.8 и 2.9 приведены результаты одновременного фитирования спектров РРМР и РПН, измеренных при тампературе Т = 20 К в магнитных полях 50 мT and 500 мT. Полученные в результате профили намагниченности приведены на рисунках 2.7б и 2.7в. Как и в предыдущем случае, спектры ПРН оказались крайне чувствительны к внутрислойной магнитной структуре Gd. В частности, сдвиг в положении первого брегговского пика для нейтронов различных поляризаций на рисунке 2.8в вызван вращением магнитных моментов внутри слоев Gd. Аналогичный эффект было обнаружен в сверхрешетках в работе Fe/Gd [52], причем авторам статьи не удалось его описать в модели однородно намагниченных слоев Gd.

Для того, чтобы убедиться в правильности полученных результатов, сравним интегральные (проинтегрированные по всей толщине сверхрешетки) магнитные моменты Fe и Gd при T=20 K и Т = 140 K в поле H=50 мT, полученные независимо из экспериментов СКВИД/XMCD и РРМР/РПН. В таблице 2.3 приведены значения магнитных моментов, полученные используя данные СКВИД/XMCD из таблицы 2.2 и путем интергрирования профилей намагниченности, приведенных на рисунке 2.7. Отметим очень хорошее согласие результатов, полученных независимо различными методоми.

Экспериментальные результаты

В данном разделе анализируется влияние размерных эффектов на формирование волн спиновой плотности в сверхрещетках Cr/V. С этой целью нами была исследована серия сверхрешеток Cr/V, отличающихся толщиной слоев Cr. Толщины слоев V во всех случаях были равны 1.4 нм. Прежде чем переходить к рассмотрению результатов нейтронно синхротронных измерений суммируем информацию о структурных свойствах, исследуемых сверхрешеток, полученную из анализа синхротронных измерений. Отметим, что исследуемые образцы характеризуются хорошо определенной слоистой структурой с резкими межслойными границами, что подтверждается измерениями, проведенными с помощью рентгеновской рефлектометрии; эпитаксиальный рост Cr/V был подтвержден результатами большеугловой дифракции.

В качестве примера на рисунке 3.12 приведены рефлектограмма и дифрактограмма для образца [Cr(90 )/V]23, измеренные для длины волны излучения = 2.084 , характеризующие хорошую слоистую структуру образца и высокую степень совершенства его кристаллической структуры.

Параметры кристаллической решетки, кристаллические длины когерентности и мозаичность сверхрешеток Cr/V. Толщины слоев V во всех сверхрешетках составляют 1. 4нм.

В таблице 3.3 суммированы результаты определения структурных параметров сверхрешеток, полученные из анализа рентгеновских измерений вблизи фундаментальных брегговских пиков вдоль нормали к поверхности образца (002) в плоскости образца (110). Постоянная решетки вдоль нормали к поверхности a и кристаллическая длина когерентности были определены из положения и полуширины фундаментального брегговского пика Cr/V (002) в геометрии -2. Мозаичность в плоскости образца была оценена из измерений того же рефлекса. Постоянная решетки в плоскости a и кристаллическая длина когерентности были оценены из измерений в геометрии скользящего падения брегговского рефлекса (110), причем угол падения при этом был зафиксирован таким образом, чтобы обеспечить глубину проникновения рентгеновского излучения в образец примерно 5 нм.

Как следует из приведенных в таблице результатов, для всех образцов постоянная решетки в плоскости поверхности плёнки увеличена по сравнению со значением для объемного Cr a0=0.2884 нм, что объясняется эпитаксиальными напряжениями от подложки MgO(001) и слоев ванадия, у которых параметры решетки больше (aV =0.303 нм, aMgO/2 = 0.2978 нм).

Первый образец серии Cr(2000 )/V характеризуется очень высокой степенью структурной когерентности, его поперечная корреляционная длина составляет 200 нм, что в точности равно толщине слоя Cr. Его постоянные решетки значительно увеличены как в плоскости образца, так и вдоль нормали к поверхности, таким образом для этого образца наблюдаются максимальные эпитаксиальные напряжения. По мере уменьшения толщины слоев Cr и увеличения числа прослоек V структурное качество образцов ухудшается: уменьшаются корреляционные длины и возрастает мозаичность. Параметры решетки при этом приближаются к значениям для объемного Cr, то есть эпитаксиальные напряжения уменьшаются.

В образце Cr(1000 )/V мы обнаружили две фазы, характеризующиеся разными постоянными решетки a . Сравнивая интегральные интенсивности брегговских пиков (110)Cr, можно сказать, что первая фаза занимает примерно 95% образца, а вторая 5%. Точные оценки произвести невозможно, поскольку в наших рентгеновских измерениях пучок проникал только в верхнюю часть образца. Параметр кристаллической решетки a для второй фазы ближе к соответствующему значению для MgO.

Сверхрешетки [V/Cr(100 нм)/V]2

Результаты для наногетероструктуры V/Cr(200 нм)/V были уже представлены выше. Рассмотрим последовательно результаты синхротронных и нейтронных измерений для остальных образцов серии. На рисунке 3.13 представлены результаты синхротронных измерений волн упругих напряжений вблизи брегговских рефлексов (002)Cr и (011)Cr для образца [V/Cr(100)/V ]2 зависимости от температуры, на схематических диаграм мах показаны типы выполненных сканов. Как следует из синхротронных результатов, в образце наблюдаюся две фазы ВСП, одна распространяется в плоскости образца, а вторая вдоль направления L перпендикулярно поверхности. Соотношение интегральных интенсивностей этих двух волн примерно 1:10, что соответствует структурным данным для двух кристаллографических фаз, учитывая разницу в структурных факторах для сателлитов ВУН вблизи (002) и (011) брегговских рефлексов. Различие в свойствах этих двух фаз связано с разницей в эпитаксиальных напряжениях, приложенных к ним в плоскости образца.

Поляризация волны спиновой плотности в этом образце была определена с помощью нейтронной дифракции. Распространяющуся в плоскости волну спиновой плотности оказалось трудно исследовать ввиду очень малой интенсивности сигнала. Было проведено только два скана при температуре Т = 2 К в направлении H вблизи запрещенных рефлексов (100)Cr и (001)Cr, которые подтвердили, что распространяющаяся в плоскости образца волна имеет поперечную поляризацию.

Волна спиновой плотности, распространяющаяся перпендикулярно поверхности образца, была исследована подробно. На рисунке 3.14 представлены результаты нейтронных измерений в L направлении вблизи брегговского положения Cr(100). Измерения вблизи положения Cr(001) также были выполнены, но никакого отраженного сигнала детектировано не было. Как видно из приведенного графика, в этом образце не наблюдается никакого спин-ориентационного перехода, и волна спиновой плотности остается продольной при всех температурах вплоть до Т=270 К, где она переходит в соизмеримую волну. Переход из несоизмеримой фазы в соизмеримую не резкий, он происходит в температурном интервале от 250 К до 270 К. Поскольку при этом переходе не происходит изменений поляризаций волн спиновой плотности, то фазовый переход характеризуется только изменением величины магнитных моментов Cr.

Качественная магнитная фазовая диаграмма, основанная на результатах нейтронных и синхротронных измерений для данного образца, приведена на рис. 3.15. При низких температурах сосуществуют две несоизмеримые фазы: распространяющаяся в плоскости поперечная волна со спинами, ориентированными вдоль нормали к поверхности, и распространяющаяся вдоль нормали продольная волна. Эти две волны имеют разные температуры Нееля. Распространяющаяся вдоль нормали волна выше Т = 250 К переходит в соизмеримую фазу, которая сохраняется в сверхрешетке выше комнатной температуры.

Сверхрешетки [V/Cr(50 нм)/V]4

Рассмотрим далее результаты нейтронных и синхротронных измерений для сверхрешетки [V/Cr(50 нм)/V]4. В данном случае поведение ВСП оказалось значительно проще, чем в предыдущем случае. На рисунке 3.16 представлены результаты синхротронных измерений в L направлении вблизи позиции (002)Cr. Измерения в K направлении вблизи положения (011)Cr не приводятся, т.к., там не было детектировано никаких сигналов от волны упругих напряжений.

На рисунке 3.17 приведены нейтронные сканы, измеренные в L направлении вблизи положения Cr(100). Остальные нейтронные сканы не приводятся, т.к., никаких сигналов от волны спиновой плотности там зафиксировано не было. Как следует из приведенных нейтронных данных, волна спиновой плотности представляет собой продольную волну, которая распространяется вдоль нормали к поверхности образца. При температурах выше Т = 220 К волна постепенно переходит в соизмеримую фазу и выше Т = 250 К в образце распространяется только соизмеримая волна спиновой плотности. качественная магнитная фазовая диаграмма для этого образца приведена на рисунке 3.18.

Рассмотрим далее результаты для сверхрешетки [V/Cr(25 нм)/V]8. Результаты синхротронных измерений при различных температурах данного образца представлены на рисунке 3.19. Как и в предыдущем случае, волна распространяется исключительно вдоль нормали к поверхности. Температура Нееля, оцененная из синхротронных данных, составляет Т = 150 К, что значительно ниже, чем в предыдущих случаях. Очень важно отметить, что положение сателлитного пика не изменяется с температурой, т.е., период волны спиновой плотности не зависит от температуры.

Анализ спектров

На Рисунке 4.6 показана зависимость от энергии функции (E) = f(E)E для атомов Mn, локализованных на позициях типа А и В, полученная из обработки экспериментальных DAFS спектров для (422) и (222) Брегговских рефлексов. Отметим наличие особенности около Е= 6539 эВ для тетраэдрически координированных позиций типа А. На рисунке можно также видеть слабый пре-пик для октаэдрически координированных Впозиций, который обычно ассоциируется с квадрупольным электронным переходом или с искажениями локального октаэдрического окружения [129].

Данные, представленные на Рисунке 4.6 были очищены от фонового сигнала, преобразованы в представление волнового вектора фотоэлектронов, и с ними было совершено преобразование Фурье для перехода к радиальным координатам с помощью свободно распространяемой программы Athena (http://xafs.org/XAFS).

Преобразование Фурье было произведено в интервале k = (0.25 0.80)] нм-1 с весовой функцией w=k. На Рисунке 4.7 представлена зависимость модуля фурье-образа функции от радиальной координаты для позиций типа A и B.

Для проверки самосогласованности процедуры обработки были проведены независимые расчёты коэффициента поглощения для позиций Атипа альтернативным образом, а именно, комбинируя полученные результаты для f”(E)E, определённые для (111) and (222) Брегговских сигналов и используя условие связи в уравнении 4.4, где заселённости позиций брались равными NA = 0.82 и NB = 0.18 (данные о заселённостях получены для того же образца методом EXAFS [112]). Результаты сравнения результатов, полученных двумя альтернативными методами, представлены на Рисунках 4.8 и 4.9. Следует отметить, что наблюдается очень хорошее согласие практически во всей области EXAFS. Некоторые различия, наблюдаемые влизи края поглощения объясняются дополнительными погрешностями, которые возникают при комбинировании двух независимых наборов данных.

Важно отметить, что в нашем анализе мы использовали существенно различные типы брегговских рефлексов. Во-первых, мы использовали асимметричный брегговский рефлекс (422), который определяется исключительно вкладами от атомов, локализованных на позициях типа А. С другой стороны, обработка данных для данного рефлекса затруднена усложнениями в учете влияния самопоглощения в асимметричной геометрии. Во-вторых, мы скомбинировали анализ брегговских рефлексов (111) и (222), измеренных в симметричной геометрии. Эти рефлексы проще аля обработи, однако, существует риск искажения результатов при манипуляциях с обработанными спектрами. Из того факта, что обе вышеупомянутые процедуры приводят к одинаковым результатам, можно сделать вывод, что наша процедура обработки является стабильной, а полученные результаты - однозначными и воспроизводимыми, не зависящими от выбора конкретных брегговских рефлексов и геометрии рассеяния.

Дальнейший анализ полученных спектров поглощения проводился методами EXAFS, основанными на теоретических стандартах. Фитирование данных проводилось в R-пространстве с помощью программы Artemis, а теоретические стандарты генерировались с помощью FEFF6 [130]. В фитирование были включены только две ближайшие координационные сферы: Mn(A)-0, Mn(A)-Fe(B) для A позиции and Mn(B)-0, Mn(B)-Fe(B) для B позиции. Фитируемыми параиетрами были глобальные величинами и энергетический сдвиг Д0, а также длины связи R среднеквадратичное разупорядочение (MSD) о2 для каждой сферы. Параметр решетки MnFe204 был определен с помощью рентгеновской дифракции и зафиксирован 0.8508 нм.

На Рисунке 4.10 представлены амплитуда комплексного преобразования Фурье и обратного преобразования Фурье в k-пространство (обозначено как q-пространство) для первых двух координационных сфер для позиции А, а также соотвествующие кривые фитирования. Вертикальные линии указывают интервал фитирования. Полученные в результате фитирования значения длины связи R и MSD суммированы в таблице 4.1. Координационные числа N для первой и второй координационных сфер были фиксированы при анализе. Коэффициент ослабления электронной амплитуды равен $о :: 0-84 ± 0.18 Из результатов, приведенных в таблице 4.1 отметим существенное увеличенние длины связи A-O с 0.191 до 0.204 нм. Длина связи A-B также увеличена с 3.52 до 3.58 нм, что хорошо согласуется с определенным в работе [131] значением 0.354 нм для соотвесттвующего расстояния Fe(B)-Mn(A) в объемном поликристалле MnFe204.

Спектры поглощения для атомов Mn в B-позициях не могут быть фитированы без варьирования координационных чисел по сравнению с их номинальными значениями. При фитировании спектра поглощения для B-позиций мы зафиксировали значение о0 = 0.84 и варьировали координационные числа N для первой и второй координационных сфер. Для того, чтобы определить координационные числа N в ситуации, когда наблюдается сильная корреляция между параметрами N и а2, использовалась следующая процедура. Несколько наборов данных было получено с помощью преобразования Фурье экспериментального спектра, взятого с различными весовыми множителями k [77]. Каждый набор данных фитировался при фиксированных значениях параметров о2 в диапазоне 0.00005-0.002 нм2, в то время как координационные числа варьировались. Координационные числа и величины о2 были определены исходя из предположения, что они не должны зависеть от конкретного выбора k-веса в фурье преобразовании. Полученные таким образом результаты приведены в таблице 4.2.

Амплитуда комплексного преобразования Фурье в q-пространство и обратного преобразования Фурье для первых двух координационных сфер для В-позиций, а также соответствующие кривые фитировния, приведены на рисунке 4.11. Вертикальные линии указывают интервал фитирования. За исключением координационных чисел, результаты таблицы 4.2 хорошо согласуются с результатами для объемных марганцевых ферритов [109].